构建具有理想亲和力和特异性的、可被任意给定小分子配体化学诱导的蛋白质二聚化系统,在生物学检测与调控方面具有广泛的应用前景。本文中,我们描述了一种高效且可推广的从头设计化学诱导二聚化系统的方法,该方法通过逐步筛选噬菌体展示的组合型单域抗体文库来实现。
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构建具有理想亲和力和特异性的、可被任意给定小分子配体化学诱导的蛋白质二聚化系统,在生物学检测与调控方面具有广泛的应用前景。本文中,我们描述了一种高效且可推广的从头设计化学诱导二聚化系统的方法,该方法通过逐步筛选噬菌体展示的组合型单域抗体文库来实现。
仅在小分子配体存在时发生的蛋白质二聚化事件,能够推动用于解析和调控生物通路的小分子生物传感器的开发。目前,化学诱导二聚化(CID)系统种类有限,针对特定小分子配体设计具有理想灵敏度和选择性的新型CID系统仍是蛋白质工程领域的一大挑战。本文介绍一种高通量筛选方法——combinatorial binders-enabled selection of CID(COMBINES-CID,组合型结合剂介导的CID筛选法),可用于从头设计适用于多种配体的CID系统。该方法通过两步筛选噬菌体展示的组合纳米抗体文库,首先获得1)"锚定结合剂",即能够优先结合目标配体的分子;随后获得2)"二聚化结合剂",即仅特异性结合锚定结合剂-配体复合物的分子。为筛选锚定结合剂,采用含超过109个互补决定区(CDR)随机化的纳米抗体组合文库,利用生物素标记的配体进行筛选,并通过生物层干涉技术(BLI)使用未标记配体验证阳性克隆。为获得二聚化结合剂,以锚定结合剂-配体复合物作为正向筛选靶标,同时以未结合配体的锚定结合剂作为负向筛选对照,对纳米抗体文库进行筛选。COMBINES-CID方法具有广泛适用性,可用于其他免疫球蛋白、非免疫球蛋白或计算设计支架结构的CID结合剂筛选,从而构建用于体外及体内药物、代谢物、信号分子等检测的生物传感器。
化学诱导二聚化(CID)系统是指两种蛋白质仅在小分子配体存在下才会发生二聚化的体系(图1),可用于解析和调控代谢、信号转导及其他生物通路,是一种多功能工具1。该系统已在生物调控方面展现出应用潜力,例如通过药物控制T细胞激活2以及诱导细胞凋亡3,4,从而提高过继性T细胞治疗的安全性和有效性。此外,该系统还为小分子靶标的体内或体外检测提供了新方法。例如,可将CID蛋白与荧光报告系统(如荧光共振能量转移(FRET)5和环状重排荧光蛋白)6进行基因融合,用于活体实时检测;或作为亲和试剂,应用于类似夹心酶联免疫吸附试验(ELISA)的检测方法中。
尽管化学诱导二聚化(CID)系统具有广泛的应用前景,但构建可由特定小分子配体调控的新型CID系统仍面临重大挑战。已建立的蛋白质结合物工程方法,包括动物免疫7、体外筛选8,9和计算蛋白质设计10,能够生成通过二元蛋白质-配体相互作用发挥功能的配体结合蛋白。然而,这些方法在构建配体诱导的三元CID复合物方面存在困难。某些方法通过化学连接两个可独立结合同一或不同蛋白质的配体来实现CID11,12,13,14,15,16,或依赖于筛选能够识别预先存在的小分子-蛋白质复合物的结合蛋白(如抗体)17,18,因此其可选用的配体种类有限。
我们近期开发了一种用于从头设计化学诱导二聚(CID)系统的新方法——combinatorial binders-enabled selection of CID(COMBINES-CID)方法19。该方法可实现配体诱导二聚的高特异性(例如,锚定二聚化结合物的解离常数,KD(无配体)/KD(有配体)> 1,000)。这种二聚特异性是通过使用具有柔性结合位点的锚定结合物实现的,这些结合位点在配体结合后可发生构象变化,从而为筛选仅识别配体结合态锚定物的构象选择性结合物提供了基础。我们通过构建大麻二酚(CBD)诱导的纳米抗体异源二聚体,验证了该方法的可行性。纳米抗体是来源于骆驼科动物的一种12–15 kDa功能性抗体片段,具有通用支架结构和三个柔性CDR环(图2)20,可形成大小可调的结合口袋,适用于小分子表位21,22。值得注意的是,体外筛选组合蛋白文库的方法应具备成本效益且具有普适性,因为同一高质量文库可应用于不同配体的CID系统构建。
在本实验方案及视频中,我们重点描述通过使用CBD作为靶标,对多样性超过109的组合纳米抗体文库进行筛选,从而体外两步筛选并验证锚定结合物(图3A)和二聚化结合物(图3B)的方法;但该方案同样适用于其他蛋白质文库或小分子靶标。CID结合物的筛选通常需要6–10周(图4)。
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1. 文库构建
2. 配体靶标或配体的生物素标记
3. 锚定结合剂筛选



4. 单克隆分离
5. 通过 ELISA 验证锚定结合剂
6. 蛋白质表达、纯化和生物素标记
7. 通过BLI表征锚定结合剂
8. 二聚体结合剂筛选
注意:二聚化结合物的生物淘选筛选过程与锚定结合物的筛选类似,但有两个关键步骤不同:1)分别使用已选定的生物素标记锚定结合物和锚定结合物-配体复合物进行阴性筛选和阳性筛选,以筛选出二聚化结合物。2)在洗脱步骤中,使用 100 mM 三乙胺洗脱仅与锚定结合物-配体靶标复合物结合的阳性噬菌体。采用 100 mM 三甲胺溶液(pH = 11.5)通过破坏蛋白质相互作用来洗脱阳性克隆。
9. 通过 ELISA 表征二聚体结合剂
10. 通过BLI表征二聚体结合剂
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我们描述了通过使用CBD作为靶标,从多样性超过109的组合纳米抗体文库中进行筛选,从而在体外分两步筛选并验证锚定结合物和二聚化结合物的方法。在连续多轮筛选过程中,评估噬菌体生物淘选中锚定结合物和二聚化结合物的富集情况至关重要。如图5所示,在经过4–6轮筛选后典型的富集结果表明,亚文库中潜在阳性克隆的比例较高,因此可能无需进行更多轮次的筛选。
单克隆ELISA适用于分析锚定结合物和二聚化结合物的相对结合亲和力与选择性。图6A展示了经过六轮生物淘选后典型的锚定结合物筛选结果。可比较表现出高(例如 #87)或低(例如 #27)配体选择性的克隆。应选择具有高选择性的克隆作为锚定结合物候选物。同样,图6B展示了经过四轮生物淘选后的二聚化结合物筛选结果。我们通常观察到某些克隆仅在存在配体时(例如 #49)或在无配体时(例如 #8...
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在不同轮次的生物淘选中,选择输入噬菌体文库的正确浓度至关重要。我们通常起始于约 1012–1013 个噬菌体颗粒的输入文库,其多样性>109,以确保在下拉实验中每种噬菌体克隆大约有 100–1,000 个拷贝被展示。如果结合实验中的噬菌体浓度过高或过低,则非特异性结合或丢失阳性克隆的可能性将增加。锚定分子或二聚化结合剂的筛选通常包括三到六轮生物淘选,输出的噬菌体数量通常从约 104 开始,逐渐增加至约 108–109。在观察到此类富集后,适合挑选单克隆进行 ELISA 验证。额外增加淘选轮次可能会降低发现丰度较低但合适的阳性克隆的机会。
设置适当的阴性对照和筛选条件对于提高筛选成功率至关重要。例如,使用配体靶标的结构类似物有助于筛选出具有配体特异性的结合物。在我们的研究中,在ELISA和BLI验证锚定结合物及二聚化结合物时,使用了与CBD高度相似的类似物THC作为对照19。在二聚化结合物的筛选过程...
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华盛顿大学已就本研究相关技术提交了临时专利申请。
本工作得到了华盛顿大学创新奖(授予 L.G.)、美国国立卫生研究院基金(1R35GM128918,授予 L.G.)以及华盛顿大学启动资金(授予 L.G.)的支持。H.J. 获得了华盛顿研究基金会本科生奖学金的支持。K.W. 获得了华盛顿大学蛋白质设计研究所本科生奖学金的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1-Step Ultra TMB ELISA 底物溶液 | Thermo Fisher Scientific | 34029 | |
| 琼脂 | Thermo Fisher Scientific | BP1423-2 | |
| Amicon Ultra-15 离心滤过装置(3 kDa 截留分子量) | Millipore | UFC900324 | |
| 氨苄青霉素 | Thermo Fisher Scientific | BP1760-25 | |
| Bio-Rad 蛋白定量检测试剂盒 II | Bio-Rad | 5000002 | |
| BirA 生物素-蛋白连接酶标准反应试剂盒 | Avidity | BirA500 | |
| 牛血清白蛋白(BSA) | Sigma-Aldrich | A2153-50G | |
| 酪蛋白 | Sigma-Aldrich | C7078-1KG | |
| CM13 辅助噬菌体 | Antibody Design Labs | PH020L | |
| D-(+)-葡萄糖一水合物 | Alfa Aesar | A11090 | |
| Dynabeads M-280 链霉亲和素磁珠 | Thermo Fisher Scientific | 11205D | |
| DynaMag-2 磁力架 | Thermo Fisher Scientific | 12321D | |
| EDTA | Thermo Fisher Scientific | BP120-1 | |
| Fast DNA Ladder | New England Biolabs | N3238S | |
| FastDigest BglI | Thermo Fisher Scientific | FD0074 | |
| 甘油 | Thermo Fisher Scientific | BP229-1 | |
| HiLoad 16/600 Superdex 200 pg | GE Healthcare | 28989335 | |
| HiPrep 26/10 脱盐柱 | GE Healthcare | 17508701 | |
| HisTrap-FF-1ml | GE Healthcare | 11000458 | |
| 咪唑 | Alfa Aesar | 161-0718 | |
| IPTG | Thermo Fisher Scientific | 34060 | |
| 卡那霉素 | Thermo Fisher Scientific | BP906-5 | |
| M13 主要衣壳蛋白抗体 | Santa Cruz Biotechnology | sc-53004 | |
| NaCl | Sigma-Aldrich | S3014-500G | |
| NanoDrop 2000/2000c 分光光度计 | Thermo Fisher Scientific | ND-2000 | |
| Nunc 96 孔聚丙烯深孔储存板 | Thermo Fisher Scientific | 260251 | |
| Nunc MaxiSorp | Thermo Fisher Scientific | 44-2404-21 | |
| Octet RED96 | ForteBio | N/A | |
| pADL-23c 噬菌粒载体 | Antibody Design Labs | PD0111 | |
| PEG-6000 | Sigma-Aldrich | 81260-1KG | |
| Platinum SuperFi DNA 聚合酶 | Invitrogen | 12351010 | |
| PureLink PCR 纯化试剂盒 | Thermo Fisher Scientific | K310001 | |
| QIAprep Spin M13 试剂盒 | Qiagen | 27704 | |
| 恢复培养基 | Lucigen | 80026-1 | |
| SpectraMax Plus 384 | Molecular Devices | N/A | |
| 蔗糖 | Sigma-Aldrich | S0389-1KG | |
| 超级链霉亲和素(SSA)生物传感器 | ForteBio | 18-5057 | |
| Superdex 75 increase 10/300 GL 柱 | GE Healthcare | 28-9909-44 | |
| T4 DNA 连接酶 | Thermo Fisher Scientific | 15224-025 | |
| TG1 电转感受态细胞 | Lucigen | 60502-1 | |
| 三乙胺 | Sigma-Aldrich | 471283-100mL | |
| Trizma Base | Sigma-Aldrich | T1503 | |
| 胰蛋白胨 | Thermo Fisher Scientific | BP9726-5 | |
| Tween 20 | Thermo Fisher Scientific | BP337-500 | |
| 酵母提取物 | Thermo Fisher Scientific | BP1422-2 | |
| Zeba Spin 脱盐柱 | Thermo Fisher Scientific | 89882 |
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